桥梁工程之小桥和涵洞孔径计算

公路在跨越河沟、溪谷和灌溉渠道时，需修建各种排水构造物，其中以小桥、涵洞居多。

一般在平原区每公里约1~3座，山区约3~5座。据已建公路统计，小桥涵的工程投资约占公路总投资的15%~20%，其投资总额为大、中桥的2~4倍左右。

小桥涵孔径大小应根据设计流量、河床特性及河床进出口加固类型所允许的平均流速等来确定。

小桥涵孔径计算的目的在于合理确定桥涵孔径大小、河床加固的类型和尺寸、壅水高度、桥涵处路基和桥涵顶面的最低高程。

第一节 小桥和涵洞勘测

一、小桥和涵洞勘测的主要任务

小桥和涵洞勘测包括外业勘测和内业设计两部分。

通过对公路沿线的地形、地质、水文、气象及农田水利设施等情况进行勘测和调查，为桥涵设计以及水力计算提供必要的资料和依据。

二、小桥和涵洞勘测的主要工作内容

1、勘测前的准备工作

（1）地形资料：搜集公路沿线1:10000~1:50000的地形图，要求能获得必要的流域面积、主河沟平均纵坡度等资料。

（2）地质资料：搜集区域地质特征资料、地形图及土质类别。

（3）水文资料：小桥涵所在地附近水文站历年实测最大流量及其相应的洪水位或历史洪水位痕迹、沿河沟上下游河床变迁情况、水工构造物等资料。

（4）气象资料：当地气象站年、月平均降雨量，暴雨强度和所持续时间，年内最高、最低气温，主导风向和风力等。

（5）其他资料：若为改建或修复工程，需向原设计、施工和养护部门搜集有关工程的测设、施工及竣工资料，了解该工程的使用、养护、水毁等情况，并征询小桥涵改建的意见。

（6）组织与配备完成该工程勘测任务的人员、仪器和工具等。

2、小桥和涵洞位置的选择

小桥和涵洞位置的选择应以服从路线走向，保证排水顺畅和路基稳定，降低工程造价为原则。

（1）山岭及丘陵区小桥涵位置的确定

①一般为一沟一涵，间距不宜大于300m。当汇水区很小时，两河沟相距很近，可改沟合并。但要注意开挖排水沟或加深、加宽边沟；做好旧河沟的堵塞、截水墙及路基加固工程。

②涵位与路基排水系统密切配合，如在截水沟排水出口处设置涵洞，以免水流冲刷路面和路基。

③路线的转角较大（大于90°），平曲线半径较小，进入弯道前的纵坡大于4%，在弯道起（终）点附近应设置涵洞。

④路线由陡坡段过度到缓坡段，在此200m内又无其他涵洞，在变坡点附近应设置涵洞。

（2）平原区小桥和涵洞位置的确定

①根据天然排洪系统，有利于农业灌溉设置小桥和涵洞，并避免桥涵出口对耕地造成冲蚀。

②路线通过较长的低洼及泥沼地带时，在具有天然纵坡地段，可适当多设置涵洞，以防排水不畅及长期积水。

③路线靠近村庄时，要注意设置涵洞，以便及时排除村内的地面积水。

④小桥和涵洞的位置应选择在河床地质良好、地基承载力较大的河段。

3、小桥和涵洞测量

主要包括河沟横断面、河沟纵断面及河沟比降测量并测绘桥涵址平面图。

4、小桥和涵洞类型选择

主要根据公路等级及性质，按照安全、适用、经济、就地取材、便于施工和养护等条件确定。

桥涵孔径是根据设计流量，通过水力计算，并根据小桥和涵洞所在河沟的断面形态来确定的。

第二节 小桥孔径计算

一、水流通过小桥的图式

当桥孔压缩河槽时，水流受到桥台路堤和墩台的挤压，桥前水位抬高，产生壅水，桥下水面降低，出现收缩断面。

小桥桥下河槽一般都进行铺砌加固，不会冲刷。通过小桥桥下的水流图式与宽顶堰相似，按下游天然水深的大小可分为自由式出流与淹没式出流两种。

1、自由式出流

小桥下游天然水深ht≤1.3hk时，桥下水流图式如图。桥下水深为桥下河槽的临界水深hk。

2、淹没式出流

小桥下游天然水深ht＞1.3hk时，桥下的临界水深被下游天然水深水面所淹没，桥下水流图式如图。桥下天然水深为ht。

二、小桥孔径计算

小桥涵一般不允许河底发生冲刷，可以根据河床加固铺砌的类型，选择适当的容许流速作为设计流速。

一般采用试算法确定小桥孔径。先根据容许流速与设计流量，通过计算确定孔径大小与壅水高度，并与允许的壅水高度进行比较，从而判断是否需要调整孔径值，直至达到允许的壅水高度。

根据已知的设计流量和拟定的河床容许流速，计算小桥孔径与桥前壅水高度的程序为：

1.判别桥下水流图式

1）确定河槽天然水深ht

河槽天然水深ht可根据已知设计流量及河槽特征，用试算法确定。

先假定一个水深h，慎重选取河道的粗糙系数，从河槽横断面图上求得过水面积A和水力半径R，按公式计算相应流量。

若计算的Q值与设计流量相差一般不超过±5%时，则假定的水深可作为天然水深。否则，需要重新假定水深进行计算，直至符合要求为止。

2）确定桥下临界水深hk

桥下河槽的临界水深hk，可按临界水深函数求得：

式中：

Ak—桥下河槽临界水深对应的过水断面面积；

Bk—临界断面Ak的水面宽度；

Qs—设计流量；

a—流速分布系数，小桥取a=1.0

因此任意形状断面的平均临界水深 为：

其中vk为临界流速，计算时可采用河床的容许（不冲刷）流速。

对于矩形断面的桥孔，桥下临界水深等于平均临界水深，即hk=，对于宽浅的梯形断面，可可以取hk≈ ，对于窄而深的梯形断面，临界水深hk可按过水面积相等的关系近似求得。

由图有：

临界断面水面宽度Bk为：

3）水流图式判别

当ht≤1.3hk时，自由式出流；

当ht＞1.3hk时，淹没式出流。

2、确定小桥孔径长度L

1）自由式出流

考虑桥台和桥墩侧向挤压水流对桥下过水面积减小的影响，则计算需要的桥下水面宽度B时，应引入水流挤压系数

：

B—桥下需要水面宽度，

—挤压系数；见表9-2-2；

N—桥墩个数；

d —桥墩宽度。

若桥孔断面为矩形，则桥孔长度L=B；

若桥孔断面为梯形，则桥孔长度为：

L—小桥的孔径长度；

m —桥台处锥坡的边坡系数；

△h —小桥上部结构底面高出水面的高度。

2）淹没式出流

下游天然水深ht＞1.3hk时，桥下河槽被下游水流淹没，桥下过水断面的水深为ht,则桥下过水断面平均宽度为：

B0—桥下过水断面的平均宽度；

Vbc—河床的容许（不冲刷）流速。

若桥孔断面为矩形，则桥孔长度L=B0；

若桥孔断面为梯形，则桥孔长度为：

如果桥孔轴线与水流方向斜交，交角为a，则斜交桥孔长度La为：

根据计算得到的桥孔长度L选用标准跨径，两者相差应小于或等于10%，否则，需根据确定采用的桥孔长度反求桥下流速和临界水深，复核水流图式。

3、确定桥前水深H

1）桥下为自由式出流时，桥前水深H按下式计算：

H—桥前水深；

—流速系数，见表9-2-2；

vH—水深为H的桥前断面的行进流速。

2）桥下为淹没式出流是，桥前水深H按下式计算：

V—由采用的桥孔长度计算的桥下流速。

4、确定路基和桥面最低高程

按图9-2-6可得：

桥头路基最低高程=河床最低点高程+H+△

按图9-2-7可得：

桥面最低高程=河床最低点高程+H+J+D

第三节 涵洞孔径计算

涵洞和小桥相比，特点是孔径小、孔道长，河底往往具有较大的纵坡，涵前水深可以高于涵洞高度。

一、水流通过涵洞的水力图式

根据涵洞出水口是否被下游水面淹没，可分为自由式出流与淹没式出流两类。

按涵洞进水口建筑形式不同与涵前水头高低，水流通过涵洞可分为无压力式、半压力式、压力式三种水力计算图式。

1、无压力式

当涵洞的进水口建筑为普通型，而涵前水深H≤1.2hT时，或者进水口建筑为流线型，而涵前水深H≤1.4hT时，水流在进水口处受到侧向束窄，水面急剧下降，在洞口不远处形成一个收缩断面，水流流经全涵洞均保持自由水面，称为无压力式水流状态。

2、半压力式

当涵洞的进水口建筑为普通型，且水流充满进口，涵前水深H＞1.2hT时，但收缩断面以后在整个涵洞内都具有自由水面，称为半压力式水流状态。

3. 压力式

当涵洞的进水口建筑为流线型，而涵前水深H＞14hT,且涵底纵坡i＜iw，或者下游洞口被掩埋时，则整个涵洞的断面都充满水流，称为压力式水流状态。

二、涵洞孔径计算

1、无压力式涵洞

进行涵洞计算时，根据涵洞的实际工作情况，作了下列规定和假设：

（1）无压力式涵洞进水口处，涵内的最高水面与涵洞顶之间要保持一个最小净空高度△。

对于盖板涵、箱涵：

进水口净高 h＜2.0m时，△=0.10m；

h≥2.0m时，△=0.25m。

对于砖、石、混凝土拱涵：

涵洞净高 hT≤1.0m时，△=0.10m；

hT=1.0~2.0m时，△=0.15m；

hT＞2m时，△=0.25m。

(2)从涵前水深H到进口水深H’的降落系数取0.87，则：

(3)收缩断面的水深hc=0.9hk，涵前的行进流速v0≈0，即H0≈H。

(4)涵洞出口处或收缩断面处的最大允许流速vmax规定为：

净跨L0=0.5~1.5m的拱涵、盖板涵，vmax=4.5m/s，

净跨L0=2.0~4.0m的拱涵、盖板涵、圆管涵，vmax=6.0m/s

无压力式涵洞基本公式为：

2、半压力式涵洞

半压力式涵洞的水力计算，常以涵前断面和进口收缩断面作为计算断面，根据能量方程来推算流量和涵前水深。其基本公式为：

3、压力式涵洞

为充分利用断面，达到缩小孔径的目的，压力式涵洞一般采用进水口升高式的洞口建筑，使涵顶与水流线形基本一致。基本公式为：

涵洞处的路基最低高程应高出涵前水深以上至少50cm。

为避免涵洞进口路基浸水和进出口流速计冲刷过大，一般不采用压力式涵洞。

第四节 小桥和涵洞的进出口处理

一、小桥和涵洞类型的选择

公路小桥和涵洞的类型的选择应根据路线等级，结合当地的地形、水文、材料、施工等条件，按照安全、适用、经济、就地取材、便于施工与养护的原则来选用。

1、小桥和涵洞的选择

小桥和涵洞的选用，主要根据设计流量、路堤高度、河床纵坡以及建筑材料等确定。

当跨越常年有水但流量较少，或季节性水流且漂浮物和上游泥沙运动较少，路堤高度能够满足壅水高度和宣泄设计流量的要求时，宜采用涵洞；

当设计流量大，或河道漂浮物和泥沙运动较多，或河沟地处陡峭深谷并填土过高时，都应采用小桥。

2、涵洞类型的选择

涵洞由洞身、洞口、基础三个部分组成。

洞身主要承受涵洞上填土的垂直与侧向的土压力以及活载压力。

洞口用以连接洞身与上下游水道，使水流能顺畅地通过洞身，并保证洞口周围的路基边坡免遭冲刷。

基础把涵洞所受的荷载均匀地分布和传递到土基上，并使地基免受水流的直接冲刷。

根据涵洞洞身的构造形式不同，涵洞可分为圆管涵、拱涵、盖板涵和箱涵等。

1）圆管涵

圆管涵孔径一般为0.5~2.0m，最小填土厚度50cm，受力情况良好，圬工数量少，造价较低。多孔时不宜超过三孔。

2）盖板涵

由于盖板涵建筑高度较低，适于低路基地段使用，一般用作明涵。在盛产条石的地方，采用石盖板涵较经济，一般只适用于小跨径的明涵或暗涵。当跨径要求较大时，可采用钢筋混凝土盖板涵。

3）拱涵

一般超载潜力较大，砌筑技术易掌握，养护费用低，便于就地取材。

4）箱涵

适用于软土地基，但施工困难，造价较高，一般不常采用。高速公路的通道多采用箱涵。

5）倒虹吸管

在路基填土不高，路线两侧水深高于路基高度，或在浅路堑处，可采用倒虹吸管。